1.40M

Category:

chemistry

Бензины. Лекция №4

1.

Пензенский государственный университет
Кафедра Транспортные машины
Дисциплина:
«Эксплуатационные материалы»
Лекция №4
«БЕНЗИНЫ»
к.т.н., доцент Лебединский К.В.

Пензенский государственный университет
К бензинам относятся жидкие нефтяные топлива, предназначенные для применения
в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением
(от искры).
В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.
Несмотря на различия в условиях применения, автомобильные и авиационные
бензины характеризуются в основном общими показателями качества,
определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.
Условия применения бензинов определяются:
- условиями эксплуатации автомобильной техники (на земле, в воздухе, летом,
зимой, на равнинах, в горах, в южных районах, на Севере и т.д.);
- особенностями рабочего процесса двигателя.
Рабочий цикл двигателя с искровым зажиганием, как и всех двигателей внутреннего
сгорания, слагается из процессов: испарения, смесеобразования, воспламенения и
сгорания топлива.
При сгорании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется
двигателем в механическую работу. Горючая смесь в поршневых двигателях с
искровым зажиганием образуется либо в специальном приборе карбюраторе, либо
непосредственно в цилиндре двигателя, куда воздух и топливо поступают
раздельно.
Соответственно различают карбюраторные двигатели и двигатели с
непосредственным впрыском топлива.

3.

Пензенский государственный университет
Для обеспечения высокой эффективности применения бензинов в современных
двигателях и оптимизации физико-химических показателей качества к ним
предъявляются следующие требования, которые можно разделить на четыре
направления:
1 – обусловленные конструкцией двигателя:
- иметь оптимальные антидетонационные свойства на бедных и богатых смесях, на
различных режимах работы двигателя;
- обладать хорошей испаряемостью, обеспечивать легкий запуск, устойчивую
работу и хорошую приемистость двигателя;
- иметь хорошую совместимость с конструкционными материалами.
2 – обусловленные условиями эксплуатации:
- хорошо прокачиваться при различных условиях, не образовывать паровых пробок
и не выделять твердой фазы при низких температурах;
- быть стабильными при хранении и не образовывать отложений в системе питания.
3- обусловленные производственной базой:
- иметь широкую сырьевую и производственную базу, отработанные технологии.
4- обусловленные экологической безопасностью:
- быть безопасными в обращении;
- не вызывать загрязнения окружающей среды самим и продуктами сгорания.

4.

Пензенский государственный университет
Марки, состав и применение автомобильных бензинов
Автомобильные бензины являются самым массовым продуктом нефтехимической
промышленности. Около 25 % нефти, добываемой в мире, перерабатывается в
бензин.
Автомобильные бензины являются фракцией нефти, выкипающей в пределах
температур 35…195 (205) 0С и представляют собой смесь различных компонентов,
получаемых разными технологическими процессами нефтепереработки.
Бензины, как правило, состоят из базового бензина, высокооктанового компонента
(ВОК), антидетонационных присадок и добавок, а также присадок, улучшающих
другие эксплуатационные свойства.
Базовые компоненты бензинов получают прямой перегонкой нефти,
каталитическим риформингом прямогонных бензиновых фракций, каталитическим
крекингом и гидрокрекингом вакуумного газойля, а также термическими
процессами переработки (термическим крекингом, термоконтактным крекингом и
т.д.) вакуумного газойля, мазута, гудрона и другого тяжелого сырья.

5.

Пензенский государственный университет
Бензины прямой перегонки, состоящие, в основном, из парафиновых углеводородов
нормального строения, имеют самую низкую детонационную стойкость, причем
она снижается с повышением температуры конца кипения.

6.

Пензенский государственный университет
Октановые числа, определяемые по моторному методу, прямогонных фракций,
выкипающих до 180 0С, обычно составляет 40…50 ед.
Детонационная стойкость фракций с температурой начала кипения 85 0С несколько
выше – 65…70 ед.
Исключение составляют прямогонные бензины, получаемые
нафтенового основания, их октановые числа достигают 71…73 ед.
из
нефтей
Для повышения октановых чисел прямогонных бензинов их подвергают
каталитическому риформингу. Октановые числа бензинов каталитического
риформинга зависят от жесткости режима процесса. При жестком режиме они
достигают октанового числа по исследовательскому методу (ОЧИ) – 95…99 и
моторному методу (ОЧМ) – 86…90, при мягком режиме соответственно 83…85 и
74…79.
Бензины термических процессов (крекинга, коксования) содержат до 60%
олефиновых углеводородов и по детонационной стойкости превосходят
прямогонные бензины. Бензины каталитического крекинга, помимо олефиновых
углеводородов, содержат ароматические и изопарафиновые углеводороды. Их
детонационная стойкость выше, чем у бензинов, получаемых термическими
процессами.

7.

Пензенский государственный университет
Бензины термических процессов углубленной переработки нефти получают
расщеплением высокомолекулярных углеводородов при температуре выше 315 0С с
образованием углеводородов с меньшей молекулярной массой.

8.

Пензенский государственный университет
Термический крекинг в настоящее время ведется по новой системе, разработанной
фирмой «Hydrocarbon Research», получившей название динакрекинг.
Процесс проводят в специальном вертикальном реакторе, имеющим верхнюю зону
гидрокрекинга, среднюю отпарную зону и нижнюю зоны газификации. В верхней
зоне сырье в среде инертного теплоносителя в присутствии водородсодержащего
газа превращается в более легкие продукты, которые после отпаривания и
газификации выводятся из реактора.
Бензины, полученные этим процессом, отличаются повышенной химической
стабильностью по сравнению с бензинами других термических процессов.
Висбрекинг – жидкофазный процесс термического крекинга в относительно мягких
условиях. Степень превращения сырья зависит от температуры (400…480 0С) и
времени контакта.
Бензины висбрекинга обладают невысоким октановым числом (65…66 ед. по ММ)
и низкой химической стабильностью, обусловленной высоким содержанием
непредельных углеводородов.

9.

Пензенский государственный университет
Термоконтактный крекинг – сочетает коксование в кипящем слое и газификацию
образующегося кокса.
Бензиновая фракция продуктов термоконтактного крекинга содержит значительное
количество серы и непредельных углеводородов (соединений).
Для использования в качестве компонента товарных бензинов ее необходимо
подвергнуть гидроочистке или полному гидрированию и каталитическому
риформингу.
Замедленное коксование осуществляется в реакторе в псевдоожижженном слое
порошкообразного кокса – теплоносителя при температуре 480…510 0С и давлении
0,14…0,40 МПа.
При коксовании образуется бензин с октановым числом 58…62, а при непрерывном
коксовании ОЧ бензина повышается до 70 ед. по моторному методу (ММ).
Групповой углеводородный состав бензина замедленного коксования: парафинонафтеновые - 37…45, олефиновые – 49…51, ароматические – 5…13 %
масс.

10.

Пензенский государственный университет
Бензины термических процессов содержат большое количество непредельных
углеводородов, поэтому они имеют более высокие октановые числа, чем бензины
прямой перегонки. Вследствие невысоких других эксплуатационных свойств
бензины термических процессов имеют ограниченное применение.

11.

Пензенский государственный университет
Бензины каталитического крекинга являются основными компонентами товарных
бензинов.
Каталитический крекинг – процесс каталитического деструктивного превращения
тяжелых дистиллятных нефтяных фракций в моторные топлива и сырье для
нефтехимии и производства технического углерода и кокса.
При использовании современных цеолитсодержащих катализаторов обеспечивается
выход на сырье до 50 % масс, бензина и около 20 % легкого газойля, который
применяют как компонент дизельного топлива.
Бензины каталитического крекинга, получаемые на установке Г-43-107
(гидроочистка вакуумного дистиллята, каталитический крекинг, ректификация и
газофракционирование продуктов крекинга) с псевдоожижженным катализатором,
содержат значительное количество непредельных углеводородов, поэтому
характеризуются повышенной склонностью к окислению и нуждаются в
химической стабилизации с помощью антиокислительных присадок.
Бензины каталитического крекинга имеют более высокую детонационную
стойкость по сравнению с бензинами термических процессов. Детонационная
стойкость повышается за счет ареновых и алкановых углеводородов изостроения.
Сущность процессов, протекающих при каталитическом крекинге, заключается в
расщеплении высокомолекулярных углеводородов (крекинга), изомеризации
парафиновых углеводородов, в дегидрировании циклоалканов в арены.

12.

Пензенский государственный университет
Каталитический риформинг – процесс, предназначенный для повышения
детонационной стойкости бензинов и получения аренов, главным образом, бензола,
толуола и ксилола.
В основе каталитического риформинга лежит ароматизация исходного сырья путем
дегидроциклизации
алканов,
дегидроизомеризации
алкилциклопентанов,
изомеризации алканов, гидрокрекинга тяжелых углеводородов.
В качестве сырья каталитического риформинга используют прямогонные
бензиновые фракции, в которых содержатся углеводороды с шестью
углеводородными атомами, способные превращаться в ароматические кольца.
Сырьем каталитического риформинга является фракция, выкипающая в пределах
85…180 0С. При более высокой температуре конца кипения увеличивается
коксообразование и снижается выход бензина.
Значительное влияние на процесс риформинга оказывает углеводородный состав
сырья: при увеличении содержания нафтеновых углеводородов увеличивается
выход бензина и снижается газообразование.
Выход продукта – составляет 78…82 % от сырья. Катализ имеет октановое число по
моторному методу 80…85 ед. и содержит 50…65 % ароматических, 35…40 %
парафиновых и др. 5 % нафтеновых углеводородов.

13.

Пензенский государственный университет
Гидрокрекинг - каталитический процесс, предназначенный для получения светлых
нефтепродуктов, а также сжиженных газов С3 – С4 при переработке тяжелого
нефтяного сырья под давлением водорода.
Выход легкого бензина (tнк – 85 0С) составляет 17,5 % и тяжелого бензина (tвыкипания 85…115 0С) – 33,3 % масс. при двухступенчатом крекинге сернистого вакуумного
газойля. Легкий бензин состоит в основном из изопарафиновых углеводородов с ОЧ
по ММ и исследовательскому методу (ИМ) 85 ед.
Тяжелый бензин – из парафинистых тяжелых дистиллятов с ОЧ – 60 ед.
Бензин гидрокрекинга не содержит непредельных углеводородов.
Поэтому, в отличие от бензина каталитического крекинга, он является химически
стабильным, не требующим введения антиокислительных присадок.
Октановое число бензинов гидрокрекинга повышают путем каталитического
риформинга.

14.

антидетонационных
свойств
бензинов
Пензенский государственный университет
Сравнительная
характеристика
каталитических процессов
Для повышения детонационной стойкости к базовым бензинам добавляют
высокооктановые компоненты (ВОК) в количестве 5…40 %.

15.

Пензенский государственный университет
ВОК по углеводородному составу делятся на две группы: алифатические и
ароматические.
Первая включает в себя: изопентан, изомеризат, алкилат (алкилбензин),
вторая − толуол, пиробензол и смеси ароматических углеводородов С6 и выше.
Они представляют собой различные фракции низкокипящих углеводородов,
выделенных из продуктов прямой перегонки нефти или вторичных процессов, а
также не вступившие в реакции при процессах алкилирования, полимеризации,
изомеризации

16.

Пензенский государственный университет
Требования к качеству высокооктановых компонентов регламентируются ГОСТ
(ТУ)

17.

Пензенский государственный университет
Кроме того, к ВОК относятся кислородсодержащие соединения (оксигенаты). Это
спирты, эфиры и их смеси. Оксигенаты имеют высокую детонационную стойкость
и снижают токсичность отработавших газов автомобиля. Оксигенаты можно
получать из углеводородных газов, угля, сланцев, некоторых отходов органического
происхождения.
Метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) считается наиболее перспективным
компонентом. В России разрешено производство и применение автобензинов с
содержанием МТБЭ до 15 % масс.
МТБЭ - бесцветная жидкость с резким запахом, имеет относительно низкую
температуру кипения (55 ОС) и повышенное давление насыщенных паров, что
ограничивает его применение в летний период в связи с требованиями по
испаряемости.
При производстве высокооктановых бензинов АИ-95 и АИ-98 обычно добавляют
МТБЭ или МТБЭ в смеси с третбутанолом, получившей название фэтерол. Эти
компоненты повышают полноту сгорания бензина и равномерность распределения
детонационной стойкости по фракциям. МТБЭ снижает теплоту сгорания бензина и
повышает агрессивность по отношению к резинам. МТБЭ не оказывает
отрицательного действия на организм человека. Добавление в бензины снижает
содержание оксида углерода, углеводородов и полициклических ароматических
соединений в отработавших газах.
Цена на МТБЭ примерно вдвое выше цены премиального автомобильного бензина.

18.

Пензенский государственный университет
Среди других эфиров в качестве компонентов к автомобильному бензину
рассматриваются: этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ), третамилметиловый эфир
(ТАМЭ), простые метиловые эфиры, полученные из химически активных олефинов
С3 и С7, присутствующие в бензине каталитического крекинга
В качестве оксигенатов испытывались смесь 48% метилового и 52% третбутилового
спирта под названием «ксинол» и побочная фракция при производстве
изопропилового спирта - диизопропиловый эфир (ДИПЭ).
Наличие в бензине 2 % кислорода в виде «ксинола» или МТБЭ практически не
изменяет мощность и экономичность двигателя. При содержании 2,7 % кислорода в
виде технического ДИПЭ увеличивает массовый расход топлива из-за снижения
теплоты сгорания. Содержание оксида углерода (СО) в отработавших газах
снижается от 30 до 50 %. Значительно меньше оксигенаты влияют на выброс
углеводородов и окислов азота.

19.

Пензенский государственный университет
В состав так называемого модифицированного бензина, перспективного с
экологической точки зрения, обязательно вводится от 2,0 до 2,7%
кислородсодержащих соединений.
Добавление кислородсодержащих компонентов (КСК) является одним из путей
улучшения экологических свойств бензинов. Современные международные
стандарты, ГОСТ Р 51866-2002 ограничивают содержание КСК в составе
автомобильных бензинах – 2,3-2,7 % (в пересчете на чистый кислород).
Наряду с увеличением октанового числа введение антидетонаторов в бензины
изменяет их экологические и эксплуатационные свойства.
Поэтому для каждого антидетонатора установлен диапазон концентраций, в
котором получение положительного антидетонационного эффекта не приводит к
существенному ухудшению других свойств бензина.

20.

Пензенский государственный университет
Для стабилизации бензинов каталитического и термического крекинга в них вводят
антиокислительные присадки, способные в малых концентрациях тормозить
окислительные процессы. В качестве антиокислительных присадок применяют:
параоксидифениламил (ПОДФА) от 0,007 до 0,01 %, ФЧ-16 от 0,03 до 0,1 %, ионол
от 0,05 до 0,1 % и Агидол – 12 до 0,15 %.
Проведенные испытания различных антидетонаторов и их композиций
свидетельствуют о следующем:
• наибольшую приемистость к антидетонаторам (повышение октанового числа
после введения присадки или добавки) имеют бензины на основе алифатических
углеводородов, т.е. парафиновые и нафтеновые углеводороды поддаются
большему воздействию, чем олефиновые и ароматические;
• с ростом октанового числа бензина его приемистость к антидетонаторам
снижается, следовательно, для производства высокооктановых бензинов из-за
уменьшения эффективности действия антидетонаторов в области высоких
значений октановых чисел необходимо использовать базовые основы с большой
величиной октанового числа;
• приемистость базовых бензинов к антидетонаторам выше по исследовательскому
методу, чем по моторному;
• применение октаноповышающих композиций позволяет использовать базовую
основу с меньшей величиной октанового числа, т.е. получить экономию
дорогостоящих высокооктановых компонентов.

21.

Пензенский государственный университет
Автомобильные бензины маркируются буквой «А» с цифровым индексом,
характеризующим величину октанового числа по моторному методу, и буквами
«АИ» с цифровым индексом, означающим величину октанового числа по
исследовательскому методу.
В соответствии с ГОСТ Р 51105-2020 на территории РФ используются следующие
марки автомобильных неэтилированных бензинов для автомобильного транспорта,
применяемые в качестве топлива для автомобильных и мотоциклетных двигателей,
а также двигателей другого назначения, рассчитанных на использование
неэтилированного бензина.
Классификация
В зависимости от массовой доли серы и октанового числа, определенного
исследовательским
методом,
установлены
следующие
марки
бензина
экологических классов К2, КЗ, К4 и К5:
- Нормаль-80-К5(К2. КЗ. К4) — октановое число — не менее 80;
- Регуляр-92-К5(К2, КЗ. К4) — октановое число — не менее 92.
На территории стран — участниц Евразийского экономического союза
осуществляются выпуск в обращение и обращение бензинов только экологического
класса К5.

22.

Пензенский государственный университет
Бензины экологических классов К2. КЗ и К4 предназначены для поставок на
экспорт за пределы единой таможенной территории Союза; для государственного
оборонного заказа (для Министерства обороны РФ); для хранения в организациях,
обеспечивающих сохранность государственного материального резерва (для
Росрезерва), а также для нужд собственного потребления на нефтяных промыслах и
буровых платформах.
Обозначение бензина, кроме марки, должно включать в соответствии с
техническим регламентом следующие группы знаков, расположенные в
определенной последовательности и оформленные через дефис:
- первая группа: буквы АИ. обозначающие автомобильный бензин;
- вторая группа: цифровое обозначение октанового числа бензина (80. 92. 93. 95.
96. 98 и др.), определенного исследовательским методом;
- третья группа: символы К2. КЗ. К4. К5, обозначающие экологический класс
бензина.
Условное обозначение продукции при заказе и в технической документации должно
содержать марку и экологический класс бензина.
Пример условного обозначения автомобильного неэтилированного бензина марки
Нормаль-80 (Регуляр-92):
АИ-80 (92. 93. 95. 96. 98 и др.)-К5 (К4. КЗ. К2) по ГОСТ Р 51105—2020

23.

Пензенский государственный университет

24.

Пензенский государственный университет
Основные эксплуатационные свойства бензинов
Согласно ГОСТ 26098 «Термины и определения» эксплуатационное свойство ─ это
свойство нефтепродукта, проявляющееся при производстве, транспортировании,
хранении, испытании, применении, характеризующее совокупность однородных
явлений при этих процессах.
К основным эксплуатационным свойствам бензинов относятся:
• горючесть,
• испаряемость
• склонность к образованию отложений.
Горючесть ─ эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и
результат процесса горения паров топлива с воздухом, протекающего в камере
сгорания двигателей.
Горючесть бензина характеризуется его детонационной стойкостью - способностью
бензина сгорать без взрыва в двигателе с искровым зажиганием.
Детонационную стойкость оценивают по величине октанового числа.

25.

Пензенский государственный университет
Октановое число ─ условная величина, численно равная процентному (по объему)
содержанию изооктана в такой его смеси с нормальным гептаном, которая по своей
детонационной стойкости в стандартных условиях испытания на специальной
моторной установке эквивалентна испытуемому топливу.
При этом детонационная стойкость изооктана условно принята за 100 единиц, а
нормального гептана ─ за 0.
Для автомобильных бензинов нормируется октановое число, определяемое по
моторному и исследовательскому методам.
В настоящее время октановое число по моторному и исследовательскому методам
определяется на одноцилиндровой установке, но при различных режимах
испытания.
Моторный метод моделирует работу
двигателей на форсированных режимах при
длительных нагрузках, характерных для
работы машин в загородных условиях,
исследовательский ─ работу двигателей
машин
при
меньших
нагрузках
и
температурных режимах, характерных для
городских условий (частые остановки,
неполная загрузка и т.п.).

26.

Пензенский государственный университет
Октановые числа одного и того же бензина, определяемые моторным и
исследовательским методами, отличаются друг от друга.
Разность между октановыми числами, определенными по моторному
исследовательскому методам, называют чувствительностью бензина.
и
Детонационная стойкость углеводородов зависит от их молекулярной массы и
строения и повышается в ряду: н-алканы, н-алкены, цикланы, изоалканы, арены
(ароматические).
С повышением молекулярной массы детонационная стойкость углеводородов всех
классов снижается.
Повышение детонационной стойкости достигается: изменением химического
состава базового бензина, добавлением высокооктановых компонентов и введением
специальных присадок - антидетонаторов.
К органическим антидетонаторам относятся: метиланилин, ксилидин, экстралин.
При добавлении этих антидетонаторов к бензину в количестве 2% об.
Октановое число возрастает на 4…5 пунктов, а при добавлении 5 % ─ на 7…8
пунктов.

27.

Пензенский государственный университет
Испаряемость – эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и
результат процесса перехода топлива из жидкого состояния в парообразное.
Скорость испарения зависит от температурного режима и физико-химических
свойств бензинов.
Испаряемость бензинов влияет на легкость запуска, продолжительность прогрева,
приемистость и устойчивость работы двигателя. От испаряемости зависит полнота
сгорания и эффективность применения бензина. Вместе с тем испаряемость
оказывает решающее влияние на потери бензина при хранении, изменение его
качества и экологию окружающей среды.
Испаряемость бензина характеризуют его физические показатели:
фракционный состав, давление насыщенных паров (Рн.п.), поверхностное
натяжение, теплопроводность, теплоемкость и скрытая теплота испарения.
Наиболее полно характеризует испаряемость фракционный состав ─ это
зависимость между температурой и количеством фракций, выкипающих при этой
температуре.
Снижая испаряемость бензина, можно предотвратить обледенение , однако это
ухудшает пусковые свойства бензинов. Поэтому в бензин вводят специальные
антиобледенительные присадки или осуществляют конструктивные меры.

28.

Пензенский государственный университет
Склонность к образованию отложений – эксплуатационное свойство,
характеризующее особенности и результат процессов образования отложений
продуктов превращения топлив при эксплуатации техники.
В процессе хранения и при применении в двигателях бензины образуют отложения
в резервуарах, топливных баках, системе питания, в камере сгорания, на поршнях и
клапанах.
Различают низкотемпературные отложения
высокотемпературные ─ нагары и лаки.
Смолы представляют собой
конденсации углеводородов.
продукты
─
смолы
окислительной
и
шламы,
и
полимеризации
и
Некоторое количество низкотемпературных отложений образуется и за счет отсоса
во впускную систему картерных газов, которые содержат продукты неполного
сгорания бензина, мельчайшие капельки масла, пары воды.
Слой
смолистых
отложений
создает
дополнительное
сопротивление
топливовоздушной смеси, затрудняет отвод тепла, ухудшает условия испарения,
нарушает работу клапанного механизма.

29.

Пензенский государственный университет
Склонность бензина к отложениям оценивают по следующим показателям:
концентрация фактических смол, индукционный период и содержание ТЭС.
Склонность бензина к отложениям увеличивается с понижением химической
стабильности, которая определяется содержанием непредельных углеводородов.
Содержание в бензине непредельных углеводородов оценивается йодным числом.
Более достоверный прогноз склонности бензинов к смолообразованию дает
определение индукционного периода.
Окисление бензина является автокаталитическим процессом, так как образующиеся
продукты окисления каталитически ускоряют процесс смолообразования.
Вначале реакция протекает медленно и в бензине происходит накопление
первичных продуктов окисления (период индукции), но по мере накопления этих
продуктов, а также смолистых веществ, реакция ускоряется.

30.

Пензенский государственный университет

31.

Пензенский государственный университет
Индукционный период уменьшается, если в свежий бензин ввести продукты
окисления. Поэтому недопустимо смешение свежего бензина со старым
осмолившимся. Осмоление бензинов каталитически ускоряют цветные металлы:
медь, свинец, а также ржавчина.
Разложение ТЭС сопровождается выпадением из жидкой фазы кристаллического
или хлопьевидного осадка, который сам может явиться причиной засорения.
Наиболее эффективным способом борьбы с образованием отложений во впускной
системе двигателя является применение специальных моющих или
многофункциональных присадок.
Высокотемпературные отложения могут вызывать зависания клапанов,
увеличивают степень сжатия, ухудшают отвод тепла, способствуют возникновению
преждевременного воспламенения рабочей смеси.
Количество и характер отложений в двигателе зависят от состава бензина, наличия
в нем ароматических и сернистых соединений, смолистых веществ, добавок и
присадок. Снижение температуры конца кипения и удаление сернистых соединений
резко уменьшают нагарообразование.
Смолистые вещества не оказывают значительного влияния на образование нагара,
но образуют лаковые отложения на юбке и в канавках поршня, на кольцах и
клапанах.

32.

English Русский Rules